1 / 20

J. Kolář - Biologické rytmy a fotoperiodizmus rostlin

J. Kolář - Biologické rytmy a fotoperiodizmus rostlin. 7: Evoluce cirkadiánní rytmicity. Cirkadiánní oscilátory různých skupin organizmů základní vlastnosti cirkadiánních rytmů jsou stejné u všech organizmů - sdílejí společné rysy i jejich cirkadiánní oscilátory?

hafwen
Download Presentation

J. Kolář - Biologické rytmy a fotoperiodizmus rostlin

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. J. Kolář - Biologické rytmy a fotoperiodizmus rostlin 7: Evoluce cirkadiánní rytmicity

  2. Cirkadiánní oscilátory různých skupin organizmů • základní vlastnosti cirkadiánních rytmů jsou stejné u všech organizmů - sdílejí společné rysy i jejich cirkadiánní oscilátory? • u oscilátorů nás především zajímá: Kde jsou v organizmu? a Z čeho se skládají? • srovnání jejich lokalizace a struktury u modelových druhů z různých taxonů může objasnit evoluci cirkadiánní rytmicity a také např. pomoci při volbě vhodné strategie pro hledání složek oscilátoru u dalších organizmů • v současnosti je podrobněji známa molekulární podstata cirkadiánního oscilátoru u sinice Synechococcus elongatus, vřeckovýtrusé houby Neurospora crassa, rostliny Arabidopsis thaliana a dvou živočichů - octomilky Drosophila melanogaster a laboratorní myši

  3. Lokalizace cirkadiánních oscilátorů u živočichů • živočichové mají centrální oscilátor(y) v různých oblastech mozku, v očích apod. • například u savců je jeden oscilátor v suprachiazmatickém jádře hypotalamu (SCN), u ptáků jsou oscilátory v očích, SCN a epifýze - jejich relativní důležitost je druhově specifická • zničení oscilátoru vyvolá ztrátu rytmicity organizmu léze SCN vlevo: pohybová aktivita křečka s lézí SCN (Stetson a Watson-Whitmyre 1976) vpravo: pohybová aktivita vrabce s odstraněnou epifýzou (Binkley 1993) změna režimu z LD 14:10 na DD

  4. Lokalizace cirkadiánních oscilátorů u živočichů • autonomní oscilátory byly objeveny také v periferních orgánech a i v izolovaných buňkách! • centrální oscilátory živočichů proto zřejmě slouží především k synchronizaci periferních oscilátorů rytmy hladiny cirkadiánně regulované mRNA, měřené pomocí luminiscence v řezech z orgánů myši kultivovaných in vitro (Yoo et al. 2004)

  5. Lokalizace cirkadiánních oscilátorů u rostlin • cirkadiánní oscilace přetrvávají i v izolovaných orgánech, buňkách a protoplastech – každá buňka má patrně vlastní oscilátor • centrální oscilátor u rostlin nenalezen • některé experimenty ukazují, že oscilátory jednotlivých buněk jsou navzájem dost nezávislé Každá děloha semenáčku CAB::LUC tabáku byla synchronizována s jiným LD režimem (rozdíl fází 12 h) a luminiscence pak měřena v LL. Thain et al. 2000

  6. Lokalizace cirkadiánních oscilátorů u rostlin • oscilátory v různých orgánech se zřejmě poněkud liší (v kořenech jen ranní smyčka?) • možná synchronizace rytmů mezi prýtem a kořeny (zprostředkováno sacharidy???) cirkadiánní oscilátory v prýtu a kořeni Arabidopsis thaliana, Más a Yanovsky 2010

  7. Cirkadiánní oscilátor Arabidopsis thaliana (připomenutí z minulé přednášky) • 3 smyčky (ranní, večerní, centrální) • představa zatím není definitivní: neznámé komponenty, možná i další smyčky model cirkadiánního oscilátoru Arabidopsis thaliana, Pruneda-Paz a Kay 2010

  8. Cirkadiánní oscilátor Neurospora crassa • vřeckovýtrusá houba • obvykle se sleduje dobře analyzovatelný cirkadiánní rytmus v produkci asexuálních spor (konidií): mycelium prorůstá stálou rychlostí agarem a v cirkadiánních intervalech produkuje konidie Crosthwaite 2004

  9. Cirkadiánní oscilátor Neurospora crassa • hlavní složky: WC-1, WC-2 (zinc-finger transkripční faktory s PAS doménami pro meziprotei-novou interakci, WC-1 je i receptor modrého světla); FRQ (interaguje s komplexem WC-1/2), FRH (interaguje s dimerem FRQ) • možná ještě další smyčky („FRQ-less oscillators“) + FRH Crosthwaite 2004

  10. Cirkadiánní oscilátor Neurospora crassa • kromě regulace transkripce jsou důležité i posttranslační regulace(hlavně fosforylace a degradace proteinů) Heintzen a Liu 2007

  11. Cirkadiánní oscilátor Drosophila melanogaster • hlavní složky: Clock, Cycle (bHLH transkripční faktory, PAS domény); PER (PAS domény); TIM (dimerizuje s PER) • důležitá je regulace aktivity proteinů na úrovni fosforylace (např. inhibice Cycle/Clock) • entrainment světlem: zprostředkovaný přes CRY (kryptochrom - receptor modrého světla) + kináza Double-time Looby a Loudon 2005

  12. Cirkadiánní oscilátor laboratorní myši • hlavní složky: Clock, Bmal1 (bHLH transkripční faktory, PAS domény); PER (PAS domény); CRY (zde transkripční inhibitor, ne receptor světla jako u Drosophila melanogaster) • na rozdíl od D. melanogaster dimerizuje s PER CRY, ne TIM. Další smyčky oscilátoru využívají jiné proteiny než u D. melanogaster (šedě) Looby a Loudon 2005

  13. Cirkadiánní oscilátor sinice Synechococcus elongatus • hlavní složky: KaiA, KaiB, KaiC • KaiC má schopnost autofosforylace a autodefosforylace • první model předpokládal transkripční/translační smyčku jako u eukaryot Ishiura et al. 1998

  14. Cirkadiánní oscilátor sinice Synechococcus elongatus • pak ale objeven posttranslační oscilátor (PTO): rytmické změny fosforylace KaiC, regulované interakcemi s KaiA a KaiB Johnson et al. 2008

  15. Cirkadiánní oscilátor sinice Synechococcus elongatus • transkripční/translační smyčka (TTFL) je rychle vyhasínající oscilátor • uvnitř něj je posttranslační oscilátor (PTO) • PTO generuje robustní rytmy: nejsou ovlivněny ani dělením buněk (které výrazně mění rychlost transkripce) Johnson et al. 2008

  16. Cirkadiánní oscilátor sinice Synechococcus elongatus • míra fosforylace proteinu KaiC osciluje také v systému in vitro (složky: KaiC, KaiA, KaiB, ATP), a to s cirkadiánní periodou a dokonce i s teplotní kompenzací Nakajima et al. 2005

  17. Závěry z porovnání oscilátorů • každá živočišná i rostlinná buňka má zřejmě vlastní oscilátor; u živočichů jsou centrálně koordinovány, u rostlin ne (nebo málo) • oscilátory prokaryot a eukaryot jsou patrně principiálně odlišné • Jednotlivé eukaryotní říše (živočichové, houby, rostliny) mají oscilátory založené na zpětnovazebných smyčkách, z nichž aspoň jedna je negativní. Ovšem proteiny v nich zahrnuté jsou mezi říšemi příbuzné jen málo (homologie mezi WC-1 Neurospory a CYC+BMAL1 živočichů) nebo vůbec. • v rámci říší existují podobnosti ve stavbě oscilátoru (např. Drosophila a myš), ale nikoli plná konzervace složek oscilátoru a jejich regulací • V roce 2011 objeveny dva eukaryotní oscilátory, které mohou fungovat bez transkripce: nalezeny v lidských červených krvinkách a v jednobuněčné zelené řase Ostreococcus tauri. Můžeme se tedy dočkat ještě řady překvapivých zjištění.

  18. Co je v eukaryotních cirkadiánních oscilátorech evolučně konzervováno? • hlavní princip: oscilátor je systém vzájemně interagujících zpětnovazebných smyček s výraz-nou rolí regulace transkripce • velká role posttranslačních modifikací proteinů (degradace závislá na ubikvitinu, fosforylace) • Některé ze zúčastněných kináz a fosfatáz jsou homologní i mezi vzdálenými taxony. Mnohé jsou ale dosti univerzální a mají v buňce řadu dalších substrátů kromě proteinů cirkadiánního oscilátoru. • PAS domény (včetně podrodiny LOV) v mnoha oscilátorových proteinech. PAS domény jsou ovšem velmi rozšířené, obecně slouží k meziproteinové interakci, hlavně při odpovědi na signály z vnějšího nebo vnitřního prostředí organizmu. PAS domény ve vybraných oscilátorových a fotoreceptorových proteinech - Looby a Loudon 2005

  19. Jak mohla probíhat evoluce cirkadiánní rytmicity? • vznik několikrát nezávisle v hlavních říších organizmů; pro oscilátor pokaždé použity jiné proteiny, často takové, které se účastnily vnímání světla nebo jiných signálů z prostředí • nebo vznik pouze jednou (eventuálně dvakrát – u prokaryot a eukaryot), ovšem vývoj oscilátorů je tak rychlý, že podobnosti již nelze vysledovat • vznik pouze jednou (ev. dvakrát) a konzervováno je něco, o čem dosud nevíme nebo nedoceňujeme jeho důležitost??? Např. zatím neobjevené proteiny, regulace fosforylace atd.?

More Related